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热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 1 第五章 热工基 础的应用 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 2 第一节 换热器及 其热计算 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 3 解决工程实际问题的思路 分析实际问题中哪些热量传递方式在起作用 用什么方法计算传热量或温度分布 传热的强化或削弱应从什么环节入手 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 4 1-1 传热过程的分析和计算 传热过程 tAk 传热方程式 热量从壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧 流体中去的过程 关键 关键 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 5 1.分析：该传热过程包含着的三个串连环节： (1) 高温流体侧的对流换热； (2)通过壁面的导热； (3) 低温流体侧的对流换热。 )( 111 wf ttAh )( 21 ww ttA )( 222 fw ttAh 在稳态情况下，由上面三个式 子计算的热流量应是相等的。 h1, tf1 h2, tf2 tw2 tw1 1.光滑壁面的总传热系数 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 6 11 1 fw tt Ah 12ww tt A 22 2 wf tt Ah 12 12 11 fftt A h A A h 21 21 11 )( hh ttA ff 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 7 与传热方程式相对应，可以得到在该传热过程 中传热系数的计算式。 )-( f21 ttkA f 21 11 1 hh k 21 21 11 )( hh ttA ff 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 8 21 11 1 hh k 说明 :（ 1） h1和 h2为复合换热表面传热系数 （ 2）两侧面积相等 1 1 f t h 2 2 f t h 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 9 热阻的概念 R UI A t 通过平壁导热的热阻 AR t2 t1 U I R A t1 t2 1.定义 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 10 h1, tf1 h2, tf2 tf1 A tw2 tw1 tf2 1 1 Ah 1 2 Ah 21 21 11 )( hh ttA ff 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 11 2 通过圆筒壁的传热 管内 ldh tt ii wif 1 1 l dd tt io wowi 2 )ln ( 管壁 ldh tt oo fwo 1 2 管外 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 12 ooi o ii fofi dhd d dh ttl 1 )l n ( 2 11 )( o i oi oi i fofii d d hd dd h ttld 1 )l n ( 2 1 )( tkA oi oo i o i fofio hd dd d d h ttld 1 )l n ( 2 1 )( 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 13 )( fofioo ttldk 以管外侧表面为换热基准面时 oi oo i o i o hd dd d d h k 1 )l n ( 2 1 1 ooi o iioo Ahd d lAhAk 1)l n ( 2 111 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 14 )( fofiii ttldk 以管内侧表面为换热基准面时 o i oi oi i i d d hd dd h k 1 )l n ( 2 1 1 ooi o iiii Ahd d lAhAk 1)l n ( 2 111 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 15 二 通过肋壁的传热 肋侧总面积 21 AAA o )( 1 wifii ttAh wowi i ttA )(1 fowoo ttAh )(2 fowofo ttAh )( fowoooo ttAh 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 16 ooo i i ffi oooiii ff Ah A h ttA AhAAh tt 1 )( 11 2121 定义肋化系数 io AA ooi hh k 11 1 则传热系数为 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 17 三 换热表面的温度工况及强化传热的突破口 1 温度工况 ldh tt ii wif 1 1 l dd tt io wowi 2 )ln ( ldh tt oo fwo 1 2 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 18 C o n s t . i i R t 壁温靠近热阻最小的一侧流体的平均温度 纸杯烧开水 锅炉水冷壁为什么不会被烧毁 金属壁导热热阻小 ， 温差小 ， 所以可认为 金属内外壁温度一致 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 19 2 强化传热的突破口 在一定的温差下 ， 强化传热应从 热阻最大 的环节入手 有一台采暖用的散热器，用管内的热水来 加热管外的空气。为了提高散热器的散热效 果，有人提出采用管外加装肋片，并将原来 的钢管换成铜管，试从传热角度来评价这个 方案。 例 9-2（ P316） 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 20 四 临界热绝缘直径 外加肋片能强化换热 增加了外表面积 增加了导热热阻 外加保温材料能削弱换热 增加了外表面积 增加了导热热阻 ？ 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 21 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 22 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 23 21 2 2 1 1 1 )l n ( 2 1 )l n ( 2 11 )( ooo o i o ii fofi dhd d d d dh ttl 圆管外敷保温层后 0 d d 2 od cro d h d 0 2 2 2 Bi 2 2 cro dh 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 24 如果外径小于临界绝缘直径 增加保温层厚度可以使散热量增大 如果外径大于临界绝缘直径 增加保温层厚度可以使散热量减小 动力保温管道 电气工程 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 25 1-2 换热器的型式及平均温差 2 换热器的分类 一 换热器的型式 1 换热器的定义 用来使热量从热流体传递到冷流体 ， 以满 足规定的工艺要求的装置 工作方式 间壁式 混合式 蓄热式 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 26 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 27 套管式换热器 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 28 管壳式换热器 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 29 管壳式换热器 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 30 管壳式换热器 （ 1-2型 ） 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 31 管壳式换热器 （ 2-4型 ） 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 32 管壳式换热器 （ 螺旋折流板 ） 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 33 板式换热器 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 34 螺旋板式换热器 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 35 交叉流换热器 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 36 传热方程的一般形式 mtkA 二 简单顺流与逆流的平均温差计算 注意 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 37 以顺流情况为例 1 简化模型 假设 ： 冷热流体的质量流量 qm2、 qm1以及比热容 c2、 c1是常数； 传热系数是常数； 换热器无散热损失； 换热面沿流动方向的导热量可以忽略不计 。 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 38 2 分析方法 21 ttt 冷流体 热流体 取 x 处一微 元来分析 111 dd tcq m 222 dd tcq m tdAk d 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 39 d1d 11 1 cqt m d1d 22 2 cqt m 111 dd tcq m 222 dd tcq m 21 ddd ttt dd 11 d cmchmh cqcq t tdAk d 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 40 tdAdd kt dA t d kt xx At t k t 0 dA t d x x kAt t ln 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 41 )(t xkA x et dAt1 xx 0 A m At 1 1 dAt 1 0 x 0 kA A kA kA A m e kA t e kA t e A t x x 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 42 1 kAm e kA t t 1 tt kA t m )(t xkA x et 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 43 1 tt kA t m x x kAt t ln kA t t ln t ln t t t t m 对数平均温差 LMTD 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 44 逆流时 21 ttt 111 dd tcq m 222 dd tcq m tdAk d 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 45 顺流： 逆流： 2121 tttttt 2121 tttttt 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 46 m i n m a x m i nm a x ln t t tt t m ,m a xm a x ttt ,m inm i n ttt 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 47 3 算术平均温差 2 m i nm a x ttt m %42m i nm a x tt %3.27.1m i nm a x tt 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 48 1 t 1 t 2 t 2 t 温差场与局部温度变化一致 111 dd tcq m 222 dd tcq m tdAk d 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 49 1 t 1 t 2 t 2 t 1 t 1 t 2 t 2 t 1 1 2 2mmq c q c 顺流 逆流 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 50 4 温度曲线 1 t 1 t 2 t 2 t 1 t 1 t 2 t 2 t 1 t 1 t 2 t 2 t 1 t 1 t 2 t 2 t 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 51 三 其它复杂流动布置的平均温差的计算 c t fmm tt )( 是给定的冷热流体的进出口温度布 置成逆流时的 LMTD 是小于 1的修正系数 图 9-159-18分别给出了管壳式换热器和交叉流 换热器的 c t fmt )( 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 52 1 值取决于无量纲参数 P和 R 22 11 21 22 , tt ttR tt ttP 3 R的物理意义 2 P的物理意义 流体 2的实际温升与理论上所能达到的最大温升 之比 ， 所以只能小于 1 两种流体的热容量之比 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 53 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 54 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 55 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 56 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 57 4 对于管壳式换热器 对于壳侧流体而言 ， “ 程数 ” 为流体流经的 壳体个数 对于管侧流体而言 ， “ 程数 ” 为流体流动的 方向改变次数 +1 5 对于交叉流换热器 应注意混合与否 ！ 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 58 四 各种流动形式的比较 顺流和逆流是两种极端情况 ， 在相同的进 出口温度下 ， 逆流的平均温差最大 ， 顺流 的平均温差最小； 顺流时 ， 而逆流时 ， 则可能大 于 ， 可见 ， 逆流布置时的换热最强； 逆流时 ， 冷热流体的最高温度集中在换热 器的同一侧 ， 使得该处的壁温特别高 。 12 tt 2t 1t 1 顺流和逆流 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 59 2 其中一种流体发生相变 这时候没有顺流和逆流之分 热流中心 热工基础 Fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer 60 3 蛇行管 只要管内流体流动方向改变 5次以上 这时候就可以作为顺流和逆流处理